Elektrosynthese von Basischemikalien

Daher entwickelt das Fraunhofer IGB elektrochemische Prozesse, mit denen Basischemikalien dezentral am Ort des Bedarfs synthetisiert werden können.

Dezentrale Herstellung von Basischemikalien und Nutzung von CO₂

Besonders vielversprechend ist die Produktion kohlenstoffbasierter Chemikalien aus Wasser (H₂O) und Kohlenstoffdioxid (CO₂), welches in diesem Fall nicht als klimaschädigendes Abgas ausgestoßen wird, sondern als Rohstoff genutzt werden kann. Daneben können Elektrosyntheseprozesse auch im kleineren Maßstab zum Einsatz kommen, um lokal benötigte Basischemikalien dezentral, direkt vor Ort herzustellen. Dadurch werden Bedarfsträger, beispielsweise Krankenhäuser, unabhängig von Zulieferern und eventuellen Lieferengpässen. Ein wichtiger Anwendungsfall ist hier die Produktion von Wasserstoffperoxid aus (Luft-)Sauerstoff (O₂) und Wasser.

Elektrochemische Reduktion des gasförmigen Edukts an einer Gasdiffusionslelektrode

Sowohl die Erzeugung kohlenstoffbasierter Basischemikalien als auch die Herstellung von Wasserstoffperoxid basieren dabei auf dem gleichen Konzept: Das gasförmige Edukt (CO₂ oder Sauerstoff) wird an einer Gasdiffusionselektrode (GDE) elektrochemisch reduziert und reagiert mit Wasser zum gewünschten, höherwertigen Produkt. Zur weiteren Verbesserung der CO₂-Bilanz können diese Elektrosyntheseanlagen jeweils mit Strom aus regenerativen Quellen betrieben werden.

• Elektrosynthese von Ameisensäure
• Herstellung höherwertiger Chemikalien durch elektro- / biokatalytische
  Prozesskaskaden; Beispiel: CO₂ -> Ameisensäure -> C1-Fermentation -> Polymerbausteine
• Elektrosynthese von Ethen
• Herstellung höherwertiger Plattformchemikalien (z. B. Ethylenoxid) durch Kombination von elektro- und heterogenkatalytischen Prozessen

Entwicklungsbeispiel: Elektrosynthese von Formiat aus CO₂

Die elektrochemische CO₂-Reduktion zu kohlenstoffbasierten Plattformchemikalien, beispielsweise zu Ameisensäure (Formiat), ist ein Fokus unserer Arbeiten. Bei der Synthese von Ameisensäure kombiniert das Fraunhofer IGB die elektrochemische Reaktion zudem mit einem anschließenden biotechnologischen Prozess, nämlich der fermentativen Konversion des C1-(Zwischen-)Produkts (also Ameisensäure, HCOOH) in hochwertige Chemikalien.

Entwicklungsbeispiel: Elektrosynthese von Ethen aus CO₂

Im Rahmen des Leitprojekts »Strom als Rohstoff« hat das Fraunhofer IGB einen Elektrosyntheseprozess zur direkten Produktion von Ethen aus CO₂ und Wasser auf einer 130 cm² Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren im Durchflussbetrieb erfolgreich demonstriert. Dabei wurden in den bisherigen Arbeiten Ethen-Konzentrationen im Produktgas von 1700 ppm bei einer Faraday-Effizienz von 8,5 Prozent erreicht. Nach dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik werden vergleichbare Werte vorwiegend im Labormaßstab, mit Elektrodenflächen von wenigen Quadratzentimetern, erzielt. Wesentlich für diese Anwendung ist, dass der Demonstrator die gezielte Entnahme und Analyse der jeweils gasförmigen und flüssigen Produkte erlaubt. In derzeitigen und kommenden Projekten liegt der Fokus darauf, die Effizienz der Elektrosynthese weiter zu steigern.

• Kathodische H₂O₂-Produktion durch Reduktion von (Luft-)Sauerstoff an Gasdiffusionselektroden
• Anodische H₂O₂-Produktion durch Oxidation von Wasser an kohlenstoffbasierten Elektroden

Entwicklungsbeispiel: Elektrosynthese von Wasserstoffperoxid aus (Luft-)Sauerstoff

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein essenzieller Bestandteil von Desinfektionsmitteln und findet Anwendungen als z. B. Bleichmittel. Großtechnisch wird H₂O₂ nach dem Anthrachinon-Verfahren hergestellt und zumeist als hochkonzentrierte Lösung vertrieben, was mit Aufwand für Transport und Sicherheitsvorkehrungen für den Anwender verbunden ist. Daneben kann die Abhängigkeit von Zulieferern für diese kritische Komponente bei Lieferengpässen in Krisenzeiten zu schwerwiegenden Problemen führen.

Daher ist insbesondere für Anwendungen, in denen Rezepturen mit geringerer Konzentration an Wasserstoffperoxid (3 % und weniger) benötigt werden, die bedarfsgerechte elektrochemische Produktion direkt vor Ort sinnvoll. Der Anwender wird damit unabhängig von eventuellen Lieferengpässen und kann eigene Rezepturen flexibel herstellen.

Mit dem vom Fraunhofer IGB entwickelten elektrolytischen Modul werden für die H₂O₂-Produktion im Wesentlichen nur (Luft-)Sauerstoff und Wasser benötigt. In bisherigen Arbeiten konnten wir bereits Konzentrationen von Wasserstoffperoxid von 3 Gramm pro Liter erzielen. Der Fokus in den derzeitigen Arbeiten liegt darauf, diese Konzentration weiter zu erhöhen, den Prozess für weitere Anwendungen und ihre Rahmenbedingungen (z. B. H₂O₂-Produktion in verschiedenen Medien) zu entwickeln sowie den Prozess in vollautomatische Prototypen für die jeweilige Anforderung des Kunden umzusetzen.

Beispiele relevanter Reststoffe:

• 5-HMF
• Lignin